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三维立体定向放疗技术新进展

  作者:RTMax.COM    来源:放疗专业站  更新日期:2005-01-18   浏览次数:
简述:由于计算机技术、放射物理学、放射生物学、分子生物学、影象学和功能影象学的有力支持,以及多边缘学科的有机结合,放射治疗技术己经取得了革命性的进步。

三维立体定向放疗技术新进展
海南省人民医院放疗科 陈显钊

     由于计算机技术、放射物理学、放射生物学、分子生物学、影象学和功能影象学的有力支持,以及多边缘学科的有机结合,放射治疗技术己经取得了革命性的进步。据WHO1998年底统计,45%的肿瘤患者可以治愈,其中22%靠手术治愈,18%靠放疗治愈,5%靠化疗治愈。而放疗还有保留器官功能和美容的优势。3维立体定向放射治疗技术必将进一步强化这一优势。近十几年来,我国三维立体定向放疗技术发展极其迅速,从普通放疗发展到三维立体高精度定向放疗,采用了三维立体定向糸统,附加限束装置,体位固定装置,使靶区边缘剂量梯度峻陡下降,使肿瘤靶区与边缘正常组织之间形成锐利的“刀”切状,其目的是给予靶区内高剂量照射,保护靶区外周围正常组织和重要敏感器官免受损伤。

三维适形放疗〔Three dimensional conformal RT,3D-CRT〕

     肿瘤的生长方式和部位复杂,放射治疗照射野应该包括全部肿瘤组织和淋巴引流区以及一定范围的外周边缘,也称安全边缘。要达到射线体积与靶体积形状一致、同时避免对正常组织的不必要照射的要求,绝大多数照射野的形状是不规则的,在过去的临床放疗实践中,一般采用低溶点铅挡块技术实施不规则照射野的放疗。在上个世纪40年代开始有人在二维放疗计划的指导下,应用半自动的原始多叶光栅(MLC)技术或者低溶点铅挡块,采用多个不规则照射野实施最原始的适形放疗,这一技术在临床一直沿用至今已半个世纪。由于计算机技术的进步,放射物理学家用更先进的多叶光栅代替手工制作的铅挡块以达到对射线的塑形目的,用计算机控制多叶光栅的塑形性,可根据不同视角靶体积的形状,在加速器机架旋转时变换叶片的方位调整照射野形状,使其完全自动化。将适形放疗技术提高到一个新的水平。近年来,影像诊断图像的计算机处理使得人体内的放疗靶区和邻近的重要组织器官可以三维重建,因而实现了临床上以三维放疗计划指导下的三维适形放疗。目前世界范围内被越来越多的医院及肿瘤治疗中心用于放射肿瘤的临床实践,并逐渐被纳入常规应用。
   
     实现对躯干部肿瘤三维适形放疗的定位技术要求比较复杂,与头颈部肿瘤放疗技术比较,由于胸腹部生理运动影响影像的三维重建和放疗计划的精确度,另外,躯干部肿瘤体积较大,治疗体积也大;再者躯干部肿瘤的放疗靶体积形状一般不规则。因此,对躯干部肿瘤的三维适形放疗技术的要求比较高。ICRU50号报告对肿瘤体积、临床靶体积、计划靶体积、治疗处方的规范化作了详细说明。广义上讲,在三维影像重建的基础上、在三维治疗计划指导下实施的射线剂量体积与靶体积形状相一致的放疗都应称为三维适形放疗。但是利用立体定向放射外科〔SRS〕糸统实施头部肿瘤的三维适形放疗与躯干部肿瘤三维适形放疗的设备和附属器具有所不同,操作技术方面也有一些差别,许多文献报告中一般将用SRS系统进行头部肿瘤三维适形放疗称为立体定向放疗〔Stereotactic radiotherapy,SRT〕,而称采用体部固定架、MLC或低溶点铅挡块实施的躯干肿瘤的放疗为三维适形放疗〔3D-CRT〕。实际上SRS、FSRT、SRT、3D-CRT以及立体定向近距离放疗〔Stereotactic brachtherapy,STB〕都应属于立体定向放疗的范畴。三维适形放疗的实施主要靠如下4个方面的技术支持:
    〔1〕多叶光栅系统MLC,它的种类有多种,有手动、半自功和全自动。它的叶片大小和数目也不尽相同。MLC糸统的用途是:代替铅挡块;简化不规则照射野的塑形过程,从而可以增加照射野的数目以改善对正常器官结构的屏蔽;应用多叶光栅的静止照射野和单一机架角度可用于调整线束平整度;叶片可在机架旋转时移动以适应对不规肿瘤形状的动态调整。
    〔2〕三维放疗计划系统,它的主要特点是在CT影像三维重建基础上的治疗显示。如线束视角显示〔Beameye view,BEV〕功能可以显示在任意射线入射角度时,照射野形状和肿瘤形状的符合程度以及对邻近关键结构的屏蔽情况,是实现“适形照射”的关键功能。治疗方位的显示〔Room-view,RV〕功能,可以显示在治疗室内任何方位所见的治疗情况,这一功能补偿了线束视角显示BEV的不足,尤其是设定射线等中心深度时能同时显示多个线束,可以对治疗技术作适当的几何调整。剂量-体积直方图显示〔Dose-volume histogram,DVH〕功能,可以显示治疗计划的合理性,等剂量曲线包括治疗体积状态以及对整个方案作出评价等。
    〔3〕计算机控制的放射治疗机,新一代的直线加速器、部分高挡的钴60治疗机和后装治疗机是由计算机控制的。
    〔4〕定位固定和验证糸统,主要有用于增加重复摆位准确性的体部固定框架、头颈固定架、热可朔面膜、真空垫和限制内脏活动的装置;照射野的证实影像和一些验证设备。尽管三维适形放疗技术的临床应用获得了高剂量射线在靶区内均匀分布,同时最大限度的降低对正常组织的照射;从理论上讲可以大大改善肿瘤的局控率,但是在临床实践中遇到的一个重要问题是:如何确定治疗体积的范围?对治疗体积边缘的认识和确定在很大程度上依赖于影像学技术和操作者对影像读片水平,因此在三维适形放疗中,对治疗体积确定的准确程度与对肿瘤范围的认识密切相关。显然,现代的影像诊断技术对三维适形放疗的实施有着致关重要的作用。

调强放疗〔Intensity Modulated RT,IMRT〕

     调强放疗〔IMRT〕是三维适形调强放疗的简称,它与常规放疗相比其优势在于:
    〔1〕采用了精确的体位固定和立体定位技术;提高了放疗的定位精度、摆位精度和照射精度。 
    〔2〕采用了精确的治疗计划:逆向计算〔Inverse Planning〕,即医生首先确定最大优化的计划结果,包括靶区的照射剂量和靶区周围敏感组织的耐受剂量,然后由计算机给出实现该结果的方法和参数,从而实现了治疗计划的自动最佳优化。
    〔3〕采用了精确照射:能够优化配置射野内各线束的权重,使高剂量区的分布在三维方向上可在一个计划时实现大野照射及小野的追加剂量照射〔Simultaneously Integrated Boosted,SIB〕。IMRT可以满足放疗科医生的“四个最”的愿望:即靶区的照射剂量最大、靶区外周围正常组织受照射剂量最小、靶区的定位和照射最准、靶区的剂量分布最均匀。其临床结果是:明显提高肿瘤的局控率,并减少正常组织的放射损伤。

     IMRT的主要实现方式包括:
    〔1〕二维物理补偿器调强、
    〔2〕多叶准直器静态调强〔Step & Shoot〕、
    〔3〕多叶准直器动态调强〔Sliding Window〕、
    〔4〕断层调强放疗、
    〔5〕电磁扫描调强放疗等。
     当前临床应用较为普遍的是电动多叶光栅调强技术。应用IMRT技术治疗头颈、颅脑、胸、腹、盆腔和乳腺等部位的肿瘤的研究均已得出肯定性结论。Zelefsky等采用IMRT和3D-CRT分别治疗前列腺癌患者,在处方剂量相同〔81Gy〕的情况下靶区剂量分布IMRT明显优于3D-CRT;对直肠癌一早期和晚期放射性损伤发生率IMRT组也明显低于3D-CRT组。利用IMRT治疗头颈部肿瘤,不但可更好地保护腮腺、脑干等量要器官,而且若采用小野追加剂量〔SIB〕技术,可进一步提高疗效。利用IMRT技术进行乳腺癌保乳术后放疗,可改善靶区剂量分布,对肺和心脏的保护更好。国内有多家单位采用IMRT技术放疗鼻咽癌、乳腺癌、食道癌和肺癌等,都有肯定的初步结论。无容置疑,IMRT必将成为今后放射治疗的主流方式。

影像学指导的放疗〔Imaging Guided RT,IGRT〕

     提高靶区剂量放疗是提高肿瘤局控率的关键,由于肿瘤及周围正常组织的空间位置在治疗中以及治疗期间是不断变化的,如果对这些变化及误差不给予充分的重视,可能会造成肿瘤脱靶和/或正常组织损伤增加,使疗效降低。放疗过程中位置不确定性的影响因素主要归纳为二个方面:一是照射野位置的糸统误差,这是指由于在象定位、计划和治疗阶段的资料传送错误以及设计、标记或治疗辅助物如补偿物、挡块等的位置误差;二是照射野位置的随机误差:指由于技术员在进行每一次治疗时的摆位状态和分次治疗时病人解剖位置的变化,如呼吸运动、膀胱充盈、小肠蠕动、胸腹水和肿瘤的增大或缩小等引起的位置差异。临床实践和实验研究均证实上述误差将对肿瘤靶区及周围正常组织的剂量分布产生明显的影响,在适形和调强放疗中更为明显。近年来,电子射野影像系统〔EPID〕、CT等设备已可对靶区的不确定性进行更精确的研究,包括位置和剂量的验证,并通过离线和在线两种方式进行校正。新型的EPID安装在加速器上,在进行位置验证的同时,还可以进行剂量分布的计算和验证。目前还有CT-加速器、呼吸控制系统如将治疗机与影像设备结合在一起,每天治疗时采集有关的影像学信息,确定治疗靶区,达到每日一靶,即称为影像学指导的放疗〔IGRT〕。 

生物适形放疗〔Biologically Conformal RT,BCRT〕

     在传统的观念中,外照射计划中照射野应完整覆盖解剖学影像CT、MRI所标示的肿瘤靶区,并给予均匀剂量照射。例如放疗前列腺癌,由于传统影像学技术的限制,我们不能充分显示癌组织和正常前列腺组织的差异,而将整个前列腺纳入靶区,这与放疗的理论并不一致。而且更重要的是:在肿瘤靶体积内,癌细胞的分布是不均匀的,由于血运和细胞异质性的不同,不同的癌细胞核团的放射敏感性存在很大差异,给整个靶体积区以均匀剂量照射,有部分癌细胞可能因剂量不足而存活下来,成为复发和转移的根源;如果整个靶区剂量过高,会导致周围敏感组织发生严重损伤。另外,靶区内和周围正常组织结构的剂量反应和耐受性不同;即使是同一结构,其亚结构的耐受性也可能不同,势必对放疗的预期目标产生影响。

     根据生物学靶区〔BTV〕的理论,生物靶区可初步定义为:由一系列肿瘤生物学因素决定的治疗靶区内放射敏感性不同的区域。这些生物学因素包括:
    〔1〕乏氧及血供;
    〔2〕增殖、凋亡及细胞周期调控;
    〔3〕癌基因和抑癌基因改变;
    〔4〕浸润及转移特性等。这些因素包括肿瘤靶区内肿瘤细胞敏感性差异和正常组织的敏感性差异,而这些生物靶区均可通过现代先进的综合影像学技术显示,为生物适形放疗夯实了基础,也拓展了广阔空间。如把主要反映器官组织功能,属于功能影像范畴的核磁共振波普〔Magnetic resonance spectroscopy ,MRS〕、正电子发射断层扫描 (positron emission tomography ,PET) 、单光子发射计算机断层扫描(Single photonemission computer tomograpy, SPECT)等影像与主要反映形态解剖结构变化,属于解剖影像范畴的X线、CT等影像进行图像融合技术。这些图像融合技术应用于放射治疗计划系统中成为生物适形治疗计划的基础。近年来,以PET、SPECT、MRS等为代表的功能性影像技术发展迅速。利用FDG-PET可以反映组织的代谢情况;通过乏氧显像剂如氟硝基咪唑〔18-FMISO〕可以对肿瘤乏氧进行体外检测;通过11C-蛋氨酸可检测肿瘤蛋白质代谢;通过18F-胸腺嘧啶核苷可检测肿瘤核酸代谢等。研究表明,PET的应用可改变至少30%肿瘤的放疗方案。而且随着CT-PET的应用,大大提高了图像的性能和质量。功能性核磁共振〔fMRI〕技术的应用也令人振奋,fMRI可以显示脑功能,反映氧供和血管生成状态,从而为脑外科和脑部放疗提供重要信息,可以使脑重要功能区得到最大程度的保护。利用特殊的脉冲回波动态成像技术,可以扫描组织血液灌注、血脑屏障渗透性,不但可以区分正常和肿瘤组织,还可评估肿瘤的类型和分级,预测和评价疗效。

     目前,IMRT的发展使放射治疗剂量分布的物理适形达到了相当理想的水平,而生物和功能性影像则开创了一个生物适形的新纪元,有物理适形和生物适形紧密结合的多维适形治疗必将成为新纪世肿瘤放射治疗的发展方向。Chao等采用Cu-ATSM作为PET乏氧示踪剂,在头颈部肿瘤进行了体模及人体研究,结果表明,利用Cu-ATSM  PET及逆向计划系统在GTV接受80Gy的同时,给予PET显示的乏氧靶区剂量可达到80Gy,而腮腺剂量大多低于30Gy,这一研究结果证实了生物调强放疗〔Biological Intensity Modulated RT〕的可能性。California大学的研究人员采用质子核磁光谱成像,应用于前列腺癌放射治疗计划和治疗评估。在肿癌区胆碱的相对浓度较高,而正常前列腺组织和良性增生区的柠檬酸浓度较高。基于这一区别,他们正在利用IMRT计划对高胆碱/柠檬酸区域给予更高剂量的照射,同样是源于生物适形调强放疗的治疗模式。
   
     三维立体定向放疗技术,在20世纪最后二十年间发展迅速,尽管还有不少问题有待克服,但它所显示的优点是不容置疑的,它的建立、发展和完善标志着肿瘤放射治疗进入了“精确定位、精确计划、精确治疗”为特征的时代己经到来,三维立体定向放疗也给我们放射肿瘤临床医生、放射物理学家、放射生物学家筑起新的高技术平台,提出了更高的技术要求。


 

责任编辑:rtmax

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